本帖最后由 y0221120 于 2018-1-19 10:59 編輯
復(fù)雜機械系統(tǒng)的三個設(shè)計建議
本人根據(jù)自己的設(shè)計經(jīng)驗,總結(jié)了復(fù)雜機械裝備,尤其是非標自動化設(shè)備的三個設(shè)計建 議,分享給行業(yè)內(nèi)的朋友們,尤其是年輕的設(shè)計工程師。這三個建議分別是:1 穩(wěn)定化設(shè)計; 2 直驅(qū)化設(shè)計;3 試驗設(shè)計。 1 穩(wěn)定化設(shè)計 穩(wěn)定化設(shè)計就是在制定設(shè)計方案的時候,考慮方案在原理上的穩(wěn)定性(有些行業(yè)叫做魯 棒性 Robustness)。 我記得有個紀錄片曾經(jīng)是講張衡設(shè)計地震儀的時候,剛開始設(shè)計的機構(gòu) 總是出現(xiàn)誤報,后來他總結(jié)了誤報的原因,改進了設(shè)計,就大大提高了地震儀的預(yù)報精度。那是一個典型的將不穩(wěn)定系統(tǒng)改進成穩(wěn)定系統(tǒng)的案例,喜歡的朋友可以去找一下那個視頻。 我舉兩個例子說明穩(wěn)定化設(shè)計。第一個例子是,如果在設(shè)計杠桿驅(qū)動機構(gòu)的時候,盡量 將驅(qū)動放到省力杠桿的一端(既離支點遠的一端),用費力的一端(離支點近的一端)作為執(zhí)行機構(gòu)。這樣的好處是,驅(qū)動端的運動誤差被杠桿按比例縮小了。如果反過來用,則是被 杠桿按比例放大了。 第二個例子是,我曾看到一個設(shè)備,其簡化結(jié)構(gòu)如下圖所示。設(shè)備是要把一根鋼絲推出 一定長度,使推出的鋼絲端部進入工作臺上的指定位置,然后工作臺上的其他部件對鋼絲的端部進行加工。工作時:①送絲機構(gòu)夾住鋼絲向前推,鋼絲從導(dǎo)向機構(gòu)伸出;②鋼絲端部進入工作臺以后,送絲機構(gòu)松開;③送四機構(gòu)返回到初始狀態(tài)。
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2018-1-19 10:53 上傳
這個機器在使用過程中最大的問題是不穩(wěn)定,因為鋼絲常常推不到指定位置。其實這就 是一個典型的不穩(wěn)定設(shè)計,因為推出機構(gòu)只能保證鋼絲在離開導(dǎo)向機構(gòu)時的位置是準的,但是如果鋼絲本身存在彎曲,伸出去的部分肯定會偏離預(yù)設(shè)位置。而原材料本身的差異是設(shè)備 無法控制的,這樣的不穩(wěn)定因素在這個設(shè)計中就無法控制。 以下是對該機構(gòu)的改進方案。在改進方案中,取消了送絲機構(gòu),把工作臺改成可移動式。 工作時,①首先,使切斷的鋼絲在導(dǎo)向機構(gòu)處伸出很短的一段,由于伸出的長度不長,因此位置比較準確;②工作臺移動到導(dǎo)向機構(gòu)附近,夾住鋼絲的末端;③工作臺拉動鋼絲到指定位置,松開鋼絲。這當(dāng)然不是唯一解決方案,比如也可以使導(dǎo)向機構(gòu)夾住鋼絲送到工作臺, 然后再返回。這樣的設(shè)計都是偏向于穩(wěn)定的,鋼絲的質(zhì)量問題不會影響設(shè)備的運行。
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2 直驅(qū)化設(shè)計 直驅(qū)就是直接驅(qū)動(Direct Drive),常見的直線馬達,直驅(qū)旋轉(zhuǎn)馬達都是直驅(qū)理念的典 型應(yīng)用。就像直線馬達和直驅(qū)旋轉(zhuǎn)馬達一樣,它們都是直接驅(qū)動負載,中間沒有任何傳動部件,因此不但剛性好,動態(tài)響應(yīng)高,且系統(tǒng)可靠性好。 直驅(qū)化設(shè)計的理念是,在驅(qū)動部件(如馬達,氣缸,液壓缸)和執(zhí)行部件之間盡量減少 傳動機構(gòu)。這樣的好處機械系統(tǒng)趨向于簡單,穩(wěn)定。 我曾經(jīng)設(shè)計過一個 PCB 板的傳板機,當(dāng)時為了節(jié)約空間,我把硬限位塊設(shè)計成很細很長,為了保證限位塊運行順暢,我還增加了一個mini 直線導(dǎo)軌為硬限位導(dǎo)向,在很遠的地 方用氣缸驅(qū)動細長限位塊的運動。這個設(shè)計節(jié)約空間的目的肯定是達到了,但是由于 mini 直線導(dǎo)軌很小,安裝螺絲更小,使用時螺絲經(jīng)常松動,穩(wěn)定性很差。后來痛定思痛,釋放了 一點空間出來,將氣缸直接安裝在傳送軌道上,用氣缸的伸出桿直接當(dāng)做硬限位塊用,從此再也沒有出現(xiàn)過任何問題。 我們在學(xué)校里面學(xué)過很多種傳動機構(gòu),比如連桿機構(gòu),凸輪機構(gòu),棘輪機構(gòu)。從技術(shù)上 來說這當(dāng)然都是很好的東西,技術(shù)含量也很高,設(shè)計這樣的機構(gòu)很能體現(xiàn)設(shè)計者的能力。但是,很多從事自動化設(shè)備研發(fā)和設(shè)計,尤其是非標自動化設(shè)備設(shè)計的朋友都知道,在現(xiàn)實應(yīng) 用中,設(shè)備的穩(wěn)定性是首要的,不穩(wěn)定的機構(gòu)沒有用戶愿意買單。直驅(qū)化設(shè)計能大大提高設(shè) 備的穩(wěn)定性。 當(dāng)然我們也必須清楚,在復(fù)雜運動場合,直驅(qū)化設(shè)計意味著要采用復(fù)雜運動控制技術(shù), 這當(dāng)然會造成設(shè)計成本的大幅增加,如何在穩(wěn)定型和成本之間找到一個平衡點也是設(shè)計者需要培養(yǎng)的能力。 3 試驗設(shè)計 作為一個設(shè)計者,很多時候我們都會面臨兩個難題:一是設(shè)計任務(wù)中有沒有遇到過的部 分;二是設(shè)計任務(wù)有明確的時間要求,有時甚至是緊迫的時間要求。時間的緊迫性只允許我們進行一輪設(shè)計驗證。這種情況下,我們必須在一次進行實驗設(shè)計(DOE Design of Experiment) 中找到最佳方案,或者退而求其次,找到可接受的方案。 如果一次試驗設(shè)計沒有得到可接受的方案,后果是可想而知的。如何才能確保一次試驗 設(shè)計就能找出可接受的方案呢?方法就是增加試驗因子和水平,其實就是增加測試的數(shù)量。說白了就是花錢買時間。 記得有一次我接到一個處理超黏流體的設(shè)計任務(wù),而且時間比較緊迫,F(xiàn)實問題是我對 超黏流體沒有任何概念,匆匆了解樣品之后,我就開始設(shè)計。所有需要接觸流體的零件我都至少設(shè)計了一種備用方案。關(guān)鍵部分全部從設(shè)計了不同結(jié)構(gòu),不同粗糙度,不同直徑,不同 材料甚至不同倒角的各種零件。樣機零件的數(shù)量是實際設(shè)備零件數(shù)量的好幾倍。雖然這樣做 材料成本很高,但是我的確是在沒有任何經(jīng)驗的情況下,一次設(shè)計中就得到了一個非常理想的結(jié)果。 實際工作中,我們的設(shè)計任務(wù)未必那么極端,但是對不確定的部分進行試驗設(shè)計往往能 有效縮短設(shè)計時間。
以上是我在以往的設(shè)計工作中的經(jīng)驗小結(jié),希望對你有所啟發(fā)。
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